本發(fā)明屬于人工表面等離子體器件領(lǐng)域，具體涉及一種人工表面等離子體耦合諧振腔波導(dǎo)。

背景技術(shù)：

表面等離子體(光波段存在于金屬介質(zhì)交界面的一種表面電磁波)被廣泛認(rèn)為是一種非常有希望作為未來(lái)亞波長(zhǎng)太赫茲和光學(xué)全光集成電路的信息載體。但是在低頻波段，例如微波、太赫茲以及遠(yuǎn)紅外波段，金屬的介電常數(shù)接近完美金屬，所以電磁波在金屬表面的約束很差，不能作為一種有效的信息載體來(lái)傳導(dǎo)信號(hào)。2004年帝國(guó)理工大學(xué)的pendry教授提出了人工表面等離子體的概念，即在金屬表面引入孔洞來(lái)增加電磁波的趨膚深度，從而增加電磁波在金屬表面的約束。

傳統(tǒng)的人工表面等離子體波導(dǎo)，例如多米諾人工表面等離子體波導(dǎo)(dominosurfaceplasmonwaveguide)和共面人工表面等離子體波導(dǎo)(conformalsurfaceplasmonwavegudie)，都可以把電磁波約束在金屬表面亞波長(zhǎng)的范圍內(nèi)傳輸。然而對(duì)于傳統(tǒng)的人工表面等離子體波導(dǎo)，由于表面電磁波在通過(guò)無(wú)彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射，不僅會(huì)降低信號(hào)的傳輸效率，而且會(huì)在不同集成器件中產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)串?dāng)_，極大地限制了亞波長(zhǎng)太赫茲和光學(xué)集成全光電路的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明中首次提出了一種人工表面等離子體耦合諧振腔波導(dǎo)的概念并成功實(shí)現(xiàn)了表面電磁波在通過(guò)無(wú)彎曲半徑的波導(dǎo)時(shí)無(wú)反射、無(wú)散射的完美傳輸。我們的解決方案是利用一種支持多極諧振腔模式的表面等離子體諧振腔之間的弱耦合來(lái)傳導(dǎo)表面電磁波。由于多極模式的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，比如四階和八階模式的四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，表面電磁波在通過(guò)由該諧振腔構(gòu)成的無(wú)彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反射和散射，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)在較寬的帶寬內(nèi)的完美傳輸。

本發(fā)明的人工表面等離子體耦合諧振腔波導(dǎo)由人工表面等離子體振腔排列組成，所述的人工表面等離子體振腔為印刷在介質(zhì)底板上的銅片柵格或支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述的印刷在介質(zhì)底板上的銅片柵格包括圓形銅片和環(huán)繞布置在銅片周圍的柵格；該表面等離子體諧振腔各幾何尺寸之間的關(guān)系為：2πr＝n*d,其中r為諧振腔半徑，n為柵格數(shù)目，d為柵格之間的周期。柵格與柵格之間的最大縫隙寬度a＝d/2。

優(yōu)選的，所述的柵格之間的周期d＝1.256mm，柵格之間的縫隙寬度a＝0.628mm，柵格的長(zhǎng)度r＝9mm，整個(gè)銅盤(pán)的半徑為r＝12mm，銅片厚度為0.018mm，介質(zhì)底板的厚度為0.254mm。

優(yōu)選的，所述的支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)包含一個(gè)螺旋中心和多根金屬螺旋臂；所述的多根金屬螺旋臂旋向和結(jié)構(gòu)相同，并均勻連接在螺旋中心上。

更進(jìn)一步的，所述的多根金屬螺旋臂遵循阿基米德螺旋線規(guī)律，其極坐標(biāo)方程為:r＝aθ；相鄰臂間的距離相等，為2πa，其中a為常數(shù)。

優(yōu)選的，所述的相鄰人工表面等離子體諧振腔邊緣之間的間距為1‐10mm。

基于上述的人工表面等離子體耦合諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明公開(kāi)了一種直波導(dǎo)，其特征在于所述的人工表面等離子體振腔排列在一條直線上。

一種彎曲波導(dǎo)，其特征在于所述的人工表面等離子體振腔排列在一條曲線上。

一種無(wú)彎曲半徑的直角波導(dǎo)，其特征在于所述的人工表面等離子體振腔排列在一條無(wú)彎曲半徑的直角折線上。

一種復(fù)合波導(dǎo)，其特征在于由任意數(shù)量的直波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)或無(wú)彎曲半徑的直角波導(dǎo)按任意次序排列而成。

本發(fā)明提出了一種不同于傳統(tǒng)人工表面等離子體波導(dǎo)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及多種實(shí)現(xiàn)方式，該波導(dǎo)是通過(guò)表面等離子體諧振腔之間的弱耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)表面電磁波的傳輸?shù)?。由于該表面等離子體諧振腔支持具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的四階諧振模式和八階諧振模式，所以表面電磁波在通過(guò)由該諧振腔組成的無(wú)彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)時(shí)不會(huì)發(fā)生反射和散射，從而實(shí)現(xiàn)表面電磁波的完美傳輸，為未來(lái)高度集成的等離子體電路提供了一種新的集成平臺(tái)。

附圖說(shuō)明

圖1單個(gè)銅片柵格表面等離子體諧振腔示意圖。

圖2(a)人工表面等離子體耦合諧振腔直波導(dǎo)。

圖2(b)正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)時(shí)該人工表面等離子體耦合諧振腔直波導(dǎo)所支持的四階模式，六階模式，八階模式的色散曲線。

圖2(c)該人工表面等離子體耦合諧振腔波導(dǎo)所支持的四階模式，六階模式，八階模式的近場(chǎng)傳輸譜曲線。

圖2(d)-(g)為該耦合諧振腔直波導(dǎo)所支持的四階模式，六階模式，八階模式的電場(chǎng)分布圖。其中六階模式有兩種不同的激發(fā)方式，分別是正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)。

圖3(a)無(wú)彎曲半徑的90度人工表面等離子體耦合諧振腔彎曲波導(dǎo)。

圖3(b)正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)時(shí)該人工表面等離子體耦合諧振腔彎曲波導(dǎo)所支持的四階模式，六階模式，八階模式的傳輸譜曲線。

圖3(c-f)該耦合諧振腔彎曲波導(dǎo)所支持的四階模式，六階模式，八階模式的電場(chǎng)分布圖。其中六階模式有兩種不同的激發(fā)方式，分別是正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)。

圖4為單個(gè)金屬螺旋結(jié)構(gòu)表面等離子體諧振腔示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。但本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)理解為是對(duì)本發(fā)明保護(hù)內(nèi)容的限制。

如圖1所示，為本實(shí)施例的人工表面等離子體諧振腔的結(jié)構(gòu)，該諧振腔支持多極諧振模式，如四極模式，六極模式，八極模式等。所述的印刷在介質(zhì)底板上的銅片柵格包括圓形銅片和環(huán)繞布置在銅片周圍的柵格；該表面等離子體諧振腔各幾何尺寸之間的關(guān)系為：2πr＝n*d,其中r為諧振腔半徑，n為柵格數(shù)目，d為柵格之間的周期。柵格與柵格之間的最大縫隙寬度a＝d/2。該表面等離子體諧振腔的幾何尺寸可以調(diào)整，其所對(duì)應(yīng)的諧振頻率也會(huì)隨幾何尺寸的改變而改變。該人工表面等離子體諧振腔由印刷在介質(zhì)底板上的銅片柵格構(gòu)成，銅片柵格之間的周期d＝1.256mm,柵格之間的縫隙寬度a＝0.628mm，柵格的長(zhǎng)度r＝9mm，整個(gè)銅盤(pán)的半徑為r＝12mm。銅片厚度為0.018mm，介質(zhì)底板的厚度為0.254mm。

當(dāng)把該表面等離子體諧振腔排列成一排，如圖1所示，相鄰表面等離子體諧振腔通過(guò)倏逝波相互弱耦合，人工表面等離子體會(huì)從一個(gè)諧振腔跳到與之相鄰的諧振腔，而且每個(gè)諧振腔所支持的多極諧振模式保持不變，從而實(shí)現(xiàn)表面電磁波的傳輸。在實(shí)驗(yàn)中采用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀作為電磁波的發(fā)射源與接收器，從而可以研究電磁波在該耦合諧振腔波導(dǎo)上的傳輸。

本發(fā)明所提出的人工表面耦合諧振腔波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)樣品如圖2(a)所示，七個(gè)諧振腔排成一排，相鄰諧振腔邊緣之間的間距為6mm，諧振腔中心之間的間距為30mm，首先計(jì)算出該耦合諧振腔所支持的四極模式，六極模式，八極模式的色散曲線，如圖2(b)所示，對(duì)于四極和八極模式，由于它們具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，所以當(dāng)把激發(fā)位置從正向激發(fā)改為側(cè)向激發(fā)的時(shí)候，他們的色散曲線不會(huì)改變。但是對(duì)于不具備四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的六極模式，當(dāng)改變激發(fā)位置時(shí)它的色散曲線會(huì)翻轉(zhuǎn)，但是傳輸頻譜不會(huì)改變。用連接在網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀上的兩個(gè)單極子天線作為激發(fā)源和探針，分別測(cè)試正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)時(shí)該耦合諧振腔波導(dǎo)的傳輸譜，如圖2(c)所示，對(duì)于兩種不同的激發(fā)方式，都可以觀測(cè)到三個(gè)孤立的傳輸帶，分別對(duì)應(yīng)四極模式，六極模式，八極模式，而且該傳輸頻譜的傳輸帶和色散曲線是一一對(duì)應(yīng)的。為了進(jìn)一步了解表面電磁波在該耦合諧振腔波導(dǎo)上的傳輸，利用微波近場(chǎng)成像儀對(duì)該耦合諧振腔波導(dǎo)所支持的三個(gè)傳輸帶內(nèi)的電場(chǎng)進(jìn)行成像，如圖2(d-g)所示。其中圖2(d-e)分別是正向激發(fā)時(shí)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的四階模式和八階模式的電場(chǎng)分布圖，圖2(f-g)分別是正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)的六階模式的電場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，六階模式在正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)時(shí)的耦合方式是不一樣的，這樣就造成了色散曲線的翻轉(zhuǎn)，而對(duì)于四階模式和八階模式，由于具有旋轉(zhuǎn)四重對(duì)稱性，當(dāng)激發(fā)位置從正向激發(fā)改為側(cè)向激發(fā)時(shí)，他們的耦合方式是一樣的，所以色散曲線不會(huì)改變。進(jìn)場(chǎng)成像形象地證實(shí)了這一點(diǎn)。

本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種無(wú)彎曲半徑的耦合諧振腔彎曲波導(dǎo)，如圖3(a)所示，七個(gè)耦合諧振腔排列成一個(gè)90度的彎曲波導(dǎo)。用同樣的方法來(lái)測(cè)試該彎曲耦合諧振腔波導(dǎo)的傳輸譜，如圖3(b)所示，無(wú)論是正向激發(fā)還是側(cè)向激發(fā)，都可以觀測(cè)到三個(gè)孤立的傳輸帶，證明了表面波可以高效的通過(guò)無(wú)彎曲半徑的耦合諧振腔波導(dǎo)。對(duì)該彎曲波導(dǎo)的電場(chǎng)分布進(jìn)行了成像分析，如圖3(c-f)所示。其中圖3(c-d)分別是正向激發(fā)時(shí)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的四階模式和八階模式的電場(chǎng)分布圖，圖3(e-f)分別是正向激發(fā)和側(cè)向激發(fā)的六階模式的電場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，四階和八階模式由于具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，所以在通過(guò)90度彎曲波導(dǎo)時(shí)耦合方式不會(huì)改變，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)反射無(wú)散射的完美傳輸。而對(duì)于六階模式，無(wú)論是在正向激發(fā)還是側(cè)向激發(fā)，表面波在通過(guò)彎曲波導(dǎo)時(shí)的耦合方式都會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，即使如此，六階模式依然可以高效的通過(guò)該90度彎曲波導(dǎo)。

圖4為本發(fā)明的另一種人工表面等離子體諧振腔的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)要求包含一個(gè)螺旋中心和多根金屬螺旋臂；優(yōu)選的所述的多根金屬螺旋臂旋向和結(jié)構(gòu)相同，并均勻連接在螺旋中心上。所述的多根金屬螺旋臂遵循阿基米德螺旋線規(guī)律，其極坐標(biāo)方程為:r＝aθ；相鄰臂間的距離相等，為2πa，其中a為常數(shù)。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，該諧振腔為四條金屬螺旋臂構(gòu)成的支持磁偶極子模式的金屬螺旋結(jié)構(gòu)；金屬螺旋結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為：金屬螺旋臂寬w＝0.5mm,繞著中心旋轉(zhuǎn)1.5圈，外徑r＝12.5mm，金屬螺旋臂之間的距離為d＝1.5mm。諧振腔邊緣之間的距離為1-10mm；其實(shí)施效果與銅片柵格銅片柵格類似。